基于解剖建模与软指接触的人体抓握中指尖力与肌肉激活的统一估计框架

《Scientific Reports》：A unified framework for estimating fingertip forces and muscle activations in human grasping with anatomical modeling and soft-finger contact

　　

摘要

我们开发了一种使用数字手模型估计物体抓握过程中指尖力、力矩和肌肉激活度的方法。抓握物体需要满足多个平衡条件：物体上的力和力矩平衡、指尖力与关节力矩之间的一致性、关节力矩与肌肉力之间的对齐，以及接触面上的无滑移条件。我们的方法在满足这些条件的情况下，通过最小化肌肉激活度的平方和来估计指尖力、力矩和肌肉激活度。抓握姿态的力矩臂是使用包含肌肉路径模型来模拟肌肉轨迹的数字手模型计算得出的。为了评估准确性，我们测量了拇指和食指在抓握不同表面材料和抓握姿态的物体时所施加的力，并将结果与估计值进行了比较。估计的垂直力和水平力，以及指尖力矩，总体上与测量值一致。预测的活跃肌肉也与先前研究中报告的肌肉相对应，支持了该方法的有效性和生理相关性。